基于磨損均衡思想的Nand Flash存儲(chǔ)管理在TMS320F28x中的實(shí)現(xiàn)

　Nand Flash作為一種安全、快速的存儲(chǔ)體，因其具有體積小、容量大、成本低、掉電數(shù) 據(jù)不丟失等一系列優(yōu)點(diǎn)，已逐步取代其它半導(dǎo)體存儲(chǔ)元件，成為嵌入式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的主 要載體。盡管Nand Flash的每個(gè)單元塊相互獨(dú)立，且每塊一般可擦除次數(shù)高達(dá)10～100萬(wàn)次， 但是隨著擦寫(xiě)次數(shù)增加，會(huì)有一些單元塊逐漸變得不穩(wěn)定或失效從而形成永久性壞塊。因此， 要避免頻繁地對(duì)同一塊進(jìn)行操作，盡量達(dá)到擦寫(xiě)次數(shù)均衡；同時(shí)，由于擦除操作耗時(shí)較多， 會(huì)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性造成影響。為此，本文介紹了一種基于磨損均衡思想的Nand Flash存儲(chǔ)管 理方式，并深入討論了該方式在Ti公司的DSP TMS320F28x中的程序?qū)崿F(xiàn)。

　　1 器件介紹

　　本文中采用的Nand Flash芯片K9F6408U0C是一塊擁有8M(8,388,608)×8bit存儲(chǔ)空間及 256K(262，144)×8bit輔用存儲(chǔ)空間的存儲(chǔ)芯片，電源電壓為1.8V－3.3V。芯片內(nèi)部按塊和 頁(yè)的方式來(lái)組織的，如圖1所示，共分成1024個(gè)塊,每塊包含16個(gè)頁(yè),每頁(yè)內(nèi)有528個(gè)字節(jié)。 F28x系列DSP是美國(guó)TI公司最新推出的C2000平臺(tái)上的定點(diǎn)DSP芯片。

圖1 K9F6408UOC內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

　　F28x系列芯片具有 低成本、低功耗和高效能等特點(diǎn)，特別適用于有大量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控場(chǎng)合。

　　2 Flash的特點(diǎn)及存儲(chǔ)管理的作用

　　由K9F6408U0C的基本結(jié)構(gòu)可以知道，它的基本單位有塊、頁(yè)、字節(jié)等。 Nand Flash 芯片具有如下特點(diǎn)：

　　Flash寫(xiě)：通過(guò)寫(xiě)命令將每個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)單元中的1變?yōu)?；寫(xiě)操作不能把0變?yōu)?。

　　Flash擦除：擦除命令是Flash中存儲(chǔ)單元0變?yōu)?的唯一途徑，一旦對(duì)某一塊中的某一位 寫(xiě)0，要再改變成1，則必須執(zhí)行擦除命令。

　　通常，對(duì)于容量較小的Flash塊的操作過(guò)程是：先把整個(gè)塊的數(shù)據(jù)讀到RAM中，在RAM中 修改數(shù)據(jù)內(nèi)容，再擦除整個(gè)塊，最后寫(xiě)入修改后的數(shù)據(jù)。顯然，這樣頻繁復(fù)雜的讀-擦除- 寫(xiě)操作，對(duì)于Flash的使用壽命以及系統(tǒng)性能是很不利的，而且微處理器中通常RAM大小有限。 因此在硬件條件苛刻的嵌入式系統(tǒng)中就迫切需要一種合理的存儲(chǔ)管理方式以便有效地均衡 Flash各個(gè)存儲(chǔ)塊的擦寫(xiě)次數(shù)，提高Flash的使用壽命，從而提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性。

　　3 存儲(chǔ)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　3.1建立壞塊管理表

　　Nand Flash由于生產(chǎn)工藝的問(wèn)題，不可避免的會(huì)存在一些壞塊，這些壞塊在芯片出廠前 都已被標(biāo)識(shí)好。根據(jù)Nand Flash數(shù)據(jù)手冊(cè)中的介紹，在每一塊的第一頁(yè)與第二頁(yè)的Spare area 的第六個(gè)字節(jié)（也就是該頁(yè)的第517字節(jié)）即是出廠時(shí)的壞塊標(biāo)識(shí)位，如果某塊的該兩頁(yè)的 第517字節(jié)內(nèi)容不同時(shí)為0xFF，則代表該塊為廠家標(biāo)識(shí)壞塊。這種壞塊的檢測(cè)必須在對(duì)芯 片進(jìn)行擦除前進(jìn)行，因?yàn)閺S家壞塊有可能也能夠被進(jìn)行擦除操作，如使用這種塊將對(duì)數(shù)據(jù)安 全留下一定的隱患。

　　Nand Flash在出廠前會(huì)保證每塊芯片的第一塊與第二塊是完好的，所以在本文的設(shè)計(jì)中，采用的方式是將壞塊管理表存放在第一塊的第一頁(yè)的前128個(gè)字節(jié)中，每個(gè)字節(jié)的一位代表芯片的一塊，如該位為1剛表明該塊是好的，為0則表示對(duì)應(yīng)塊為壞塊。壞塊管理表的建立是必需的，而且最好是在芯片進(jìn)行其它擦寫(xiě)操作前進(jìn)行。

　　3.2 Flash存儲(chǔ)空間管理

　　在本文設(shè)計(jì)的Flash空間管理中，F(xiàn)lash的存儲(chǔ)塊被分為空閑塊（Free，即空白沒(méi)寫(xiě)數(shù)據(jù) 的好塊），有效塊（Valid，即存有有效數(shù)據(jù)的塊，不能被擦除），無(wú)效塊（Invalid，即數(shù) 據(jù)已無(wú)效或是寫(xiě)入錯(cuò)誤塊，可被擦除），保留塊（Reserve，用于替換新產(chǎn)生的壞塊），其它的則為壞塊，所有存儲(chǔ)塊的管理均采用單向鏈表方式進(jìn)行管理。

　　在大部分的Flash存儲(chǔ)空間管理系統(tǒng)中可能并不存在保留塊，在本系統(tǒng)中增加保留塊的 作用主要是，當(dāng)部分存儲(chǔ)塊因?yàn)榉磸?fù)擦寫(xiě)成為新的壞塊時(shí)，可以用保留塊取而代之成為新的空閑塊，從而使得留給用戶的可用存儲(chǔ)塊總數(shù)在一定時(shí)期內(nèi)是一定的，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)的安全性，延長(zhǎng)整個(gè)Flash的使用周期，缺點(diǎn)是用戶可用的存儲(chǔ)空間相對(duì)減少，不過(guò)在Flash芯片技術(shù)迅速發(fā)展的今天，大容量的Flash芯片價(jià)格已經(jīng)十分低廉，數(shù)據(jù)安全才是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)最值得重視的。

　　在本文的設(shè)計(jì)中，統(tǒng)一規(guī)定Flash每一塊的第一頁(yè)的Spare Area為數(shù)據(jù)塊狀態(tài)信息標(biāo)記區(qū)，具體規(guī)定如表2所示：

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根據(jù)上表的設(shè)計(jì)，塊擦除次數(shù)最大為224 ? 1 = 16777215 ，遠(yuǎn)大于Flash的最大擦除次數(shù)10到100萬(wàn)次；塊狀態(tài)標(biāo)記字節(jié)，0xFF代表其為空閑塊，0xFD代表其為保留塊，0xFC代表其為有效塊，0xF0代表其為無(wú)效塊，0x00則表明當(dāng)前塊為壞塊，在壞塊管理表中其對(duì)應(yīng)位為0。

　　3．3磨損均衡與無(wú)效塊回收

　　如圖2所示，當(dāng)系統(tǒng)上電后，如不存在壞塊管理表則應(yīng)首先應(yīng)建立相應(yīng)的壞塊管理表， 參照壞塊表根據(jù)每一塊的第517字節(jié)建立各個(gè)鏈表Free_List，Valid_List，Invalid_List， Reserved_List，初始化并按擦除次數(shù)非遞減序排列各鏈表。當(dāng)無(wú)效塊因擦除成為新的空閑塊時(shí)，根據(jù)塊擦除次數(shù)插入到空閑鏈表中相應(yīng)位置，當(dāng)需要寫(xiě)入數(shù)據(jù)到新的空閑塊時(shí)則取用空 閑鏈表的鏈?zhǔn)姿缚臻e塊，寫(xiě)入數(shù)據(jù)有效后則標(biāo)識(shí)該塊為有效塊，否則標(biāo)識(shí)為無(wú)效塊，通過(guò) 這樣的管理方式保證每次都是使用空閑鏈表中擦除次數(shù)最小的塊，從而使磨損達(dá)到均衡。

圖2 Flash存儲(chǔ)管理流程示意圖

　　對(duì)于靜態(tài)數(shù)據(jù)塊（指的是Flash中存儲(chǔ)的不經(jīng)常被修改的數(shù)據(jù)）[3]，在本文中采用的處 理方法是當(dāng)空閑塊中的最大擦除次數(shù)與有效塊中的最小擦除次數(shù)之差大于某一設(shè)定閥值（該 閥值不能過(guò)小，否則數(shù)據(jù)搬遷將過(guò)于頻繁），則遷移該有效塊中數(shù)據(jù)至空閑鏈表中擦除次數(shù) 最大的塊中，從而避免因某些數(shù)據(jù)塊被靜態(tài)數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間占用而使得其它數(shù)據(jù)塊的磨損加劇， 進(jìn)而可使得整個(gè)Flash的磨損趨于平衡。

　　對(duì)于無(wú)效塊的擦除回收本文的設(shè)計(jì)是在有足夠空閑塊的情況下一般是在系統(tǒng)空閑或上 電時(shí)進(jìn)行，這樣能節(jié)約更多寶貴的系統(tǒng)資源以進(jìn)行更重要的工作，當(dāng)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，如果空閑塊塊數(shù)與無(wú)效塊塊數(shù)的比值超出一個(gè)閥值（本系統(tǒng)取50），則啟動(dòng)程序回收所有無(wú)效 塊。這個(gè)閥值應(yīng)取得適中，如太大則使得回收過(guò)于頻繁，太少的話一方面使空閑空間過(guò)少， 另一方面一旦啟動(dòng)回收程序，因要回收塊數(shù)過(guò)多，從而使采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)輸入受到影響，本 系統(tǒng)中取空閑塊與無(wú)效塊的比值作為閥值，好處是只要空閑塊塊數(shù)足夠，無(wú)效塊回收基本在系統(tǒng)初始化是進(jìn)行，即使在采集過(guò)程中回收占用的時(shí)間也是十分微小，這樣的設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的嵌入式系統(tǒng)是很有好處的。

　　3.4 Flash存儲(chǔ)管理的程序?qū)崿F(xiàn)

　　對(duì)于Nand Flash在DSP嵌入式系統(tǒng)中的使用，其接口方式與讀寫(xiě)方法與在其他單片機(jī)中的方法都是一樣的，參考[1]中提供的流程圖就可以完成，其難點(diǎn)在于如何管理，在其管理中，對(duì)鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的操作是最重要的，下面將給出本文系統(tǒng)中用DSP TMS320F28x如何實(shí)現(xiàn)Nand Flash存儲(chǔ)管理的鏈表操作的關(guān)鍵程序代碼，結(jié)合具體的要求只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改即可滿足在新系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　在DSP系統(tǒng)工程中的CMD文件中，對(duì)于段的定義一定要為.systemmem分配一定的可用RAM空間[ 4 ]，這個(gè)大小跟系統(tǒng)后面malloc函數(shù)要分配的動(dòng)態(tài)內(nèi)存空間有關(guān)，以便在產(chǎn)生一個(gè)新的結(jié)點(diǎn)時(shí)申請(qǐng)一個(gè)結(jié)點(diǎn)類(lèi)型大小的空間，在結(jié)點(diǎn)銷(xiāo)毀時(shí)可對(duì)空間進(jìn)行釋放，定義系統(tǒng)中鏈表結(jié)點(diǎn)的類(lèi)型為：

　　通過(guò)這樣的定義就可以得到四個(gè)帶頭結(jié)點(diǎn)的鏈表，頭結(jié)點(diǎn)的數(shù)庫(kù)域中是沒(méi)有信息的，每 一個(gè)鏈表的頭結(jié)點(diǎn)都指向該鏈表的首元素，如不存在則指向NULL，程序中必須初始化指針， 否則會(huì)造成致命的系統(tǒng)錯(cuò)誤。下面給出鏈表的初始化程序，結(jié)點(diǎn)生成及銷(xiāo)毀程序，其他的函 數(shù)就不一一列舉，只給出其相應(yīng)函數(shù)名及功能介紹。

　　4 結(jié)論

　　本文創(chuàng)新點(diǎn)在于:從Nand Flash的特性出發(fā)，深入討論了基于磨損均衡算法的Flash存儲(chǔ) 管理在DSP系統(tǒng)中采用鏈表結(jié)構(gòu)的程序?qū)崿F(xiàn)，改進(jìn)了無(wú)效塊的回收方式及動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)塊的磨 損平衡。經(jīng)實(shí)踐證明,有效延長(zhǎng)了Flash的使用壽命，進(jìn)一步提高了其存儲(chǔ)效率和數(shù)據(jù)安全性， 從而更有利于在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用。